Aplicación de la tecnología LiDAR al seguimiento en la Red de Parques Nacionales

LIDAR en el seguimiento de la Red de Parques Nacionales

ÍNDICE 1. LA TECNOLOGÍA LIDAR. Conceptos básicos. 2. PROYECTO PILOTO LIDAR MONFRAGÜE. 3. DATOS LIDAR PNOA. 4. COMPARATIVA MONFRAGÜE: PILOTO LIDAR LIDAR PNOA. 5. CONCLUSIONES. LINEAS FUTURAS DE TRABAJO

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TECNOLOGÍA LIDAR: Sistema de medida basado en determinar la distancia desde un emisor láser a un objeto, midiendo el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso láser y la recepción de la señal reflejada por el objeto

• Objetivo: Obtener MDE de forma directa y con gran nivel de detalle. • Cómo: Utilizando un sensor LIDAR (Light Detection and Ranging) aerotransportado. • Necesario Conocer: - Distancias (mediante el tiempo de regreso del pulso y la velocidad de la luz)

- Ángulos de barrido - Posición (GPS) - Orientación (IMU) del sensor.

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Fuente: IGN

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Fuente: IGN

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ECOS – PULSOS o RETORNOS en el LIDAR Terrestre PULSO emitido = Huella X cm Ø • En una superficie sólida-dura (edificios, suelo, etc.), el rayo se refleja sin ningún problema y vuelve al avión. Un único retorno. • En el agua el rayo láser es absorbido rápidamente y no vuelve al avión, por lo que no se obtiene ninguna información. No retorno (o baja densidad) • En vegetación, el rayo choca con la copa del árbol. Parte del rayo se refleja y vuelve al avión, hay otra parte del rayo que va atravesando la vegetación hasta llegar al suelo, por ser el árbol una superficie “no dura” y varios retornos que vuelven al avión (hasta cuatro retornos). Múltiples retornos.

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Nube de puntos LIDAR: - Coordenadas WGS84 - Alturas elipsoidales - Información asociada a los puntos: Coordenadas, Intensidad, Nº de retorno, Nº total de retornos para cada pulso, tiempo GPS, ángulo de barrido. (Datos sin clasificar) - Ficheros .LAS (cuadrículas en función del tamaño-densidad de puntos).

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Clasificación de nube de puntos (ecos o retornos) 1º. Clasificación automática: suelo, vegetación (estratos), edificaciones. 2º. Revisión manual de zonas conflictivas (mal clasificadas): Roquedos, acantilados,… Revisión mediante perfiles, vistas isométricas, empleo de curvas de nivel y ortofotos

Alturas

Clases Perfil

5 ptos/m2

LIDAR en el seguimiento de la Red de Parques Nacionales LOS DATOS LIDAR CLASIFICADOS: • Permiten obtener MDT y MDS. MDT: Superficie que describe la forma tridimensional del terreno desnudo, excluyendo cualquier elemento situado sobre él. MDS: Superficie que describe la forma tridimensional de la superficie terrestre incluyendo los elementos estáticos situados sobre ella (árboles, edificios, etc)

• Permiten obtener Gran cantidad de productos derivados:

Curvas de nivel, TINs, cubicaciones, perfiles, mapa de pendientes, 3D.

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ÍNDICE 1. LA TECNOLOGÍA LIDAR. Conceptos básicos. 2. PROYECTO PILOTO LIDAR MONFRAGÜE. 3. DATOS LIDAR PNOA. 4. COMPARATIVA MONFRAGÜE: PILOTO LIDAR LIDAR PNOA. 5. CONCLUSIONES LINEAS FUTURAS DE TRABAJO

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Realización de dos vuelos específicos para el Parque Nacional de Monfragüe 1.Toda la superficie del Parque: 5 ptos/m2. Colección de 953 ficheros LAS de 500 metros de lado (45Gb) 2. Zona de detalle: 40 ptos/m2. Colección de 128 ficheros LAS de 200 metros de lado (4Gb)

Vuelo 1 FOV (deg)

60

Altura de vuelo (m)

700

Solape (%)/ Solape (m) Ancho barrido

808

Distancia entre líneas

356

PRF (Ratio de Pulso) (Hz)

100.000

Ratio de pulso efectivo

66.667

Ratio de escaneo (Hz)

45

Distancia de punto en borde / en centro (m) Velocidad (km/h) Min/Max pulso por m2

Vuelo 2 FOV (deg)

45

Altura de vuelo (m)

350

Ancho barrido

289

PRF (Ratio de Pulso) (Hz)

240.000

Ratio de pulso efectivo

120.000

Ratio de escaneo (Hz)

70

Distancia de punto en borde / en centro (m) Velocidad (km/h) Min/Max pulso por m2

0,19 / 0.16 36 37,25 / 43,65

Divergencia del rayo láser (mrad)

0,50

Tamaño huella en el borde

0,21

Tamaño de huella en el centro

0,18

56/ 452 m

0,66 / 0,49 108 2,27 / 3,03

Divergencia del rayo láser (mrad)

0,50

Tamaño huella en el borde

0,47

Tamaño de huella en el centro

0,35

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Nube de puntos 5 ptos/m2

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Nube de puntos 40 ptos/m2

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Nubes de puntos

Vuelo 40 ptos/m2

Vuelo 5 ptos/m2

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Productos derivados de los vuelos LIDAR. Modelos Digitales. Vuelo 5 ptos/m2: tamaño píxel 0,5 m Vuelo 40 ptos/m2: tamaño píxel 0,2 m

• Modelo digital del terreno • Modelo digital de superficies

• Modelo digital de la vegetación • Modelo digital de edificaciones Modelos Digitales del vuelo Lidar 5 ptos/m2. Tamaño de píxel 0,5 m Alturas elipsoidales

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MONFRAGÜE: Modelo digital de terreno con relieve

Lidar 5 ptos/m2. Tamaño de píxel 0,5 m

LIDAR en el seguimiento de la Red de Parques Nacionales Representación de terrazas sobre MDT Detalle de perfil de terrazas sobre ficheros .LAS (5ptos/m2)

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Representación MDT Detalle de perfiles de vaguadas sobre ficheros .LAS (5ptos/m2)

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Modelo digital de superficies original (izquierda) y con relieve (derecha) Lidar 5 ptos/m2. Tamaño de píxel 0,5 m

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Explotación de datos LIDAR para el seguimiento A partir del modelo digital de vegetación se han generado cuatro modelos de altura de vegetación para los distintos estratos: (Altura de vegetación sobre el terreno) Los estratos han sido definidos de manera específica para la vegetación de Monfragüe.

•

Vegetación baja: 0,15 - 0,5 m (asimilable a pastizal)

•

Vegetación media: 0,5 – 2 m (asimilable a matorral)

•

Vegetación media-alta: 2 – 4 m (asimilable al estrato arbustivo)

•

Vegetación alta: > 4 m (asimilable a bosque)

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Explotación de datos LIDAR para el seguimiento A partir de los MDAltV, para cada tesela de la cartografía de vegetación se han analizado y obtenido las siguientes variables: •

Altura media de la vegetación por tesela y estrato de vegetación

•

Fracción cabida cubierta en la tesela y estrato de vegetación

•

Estratificación vertical de la vegetación: configuración de la vegetación dentro de una masa forestal. (Zimble et al. (2003): sobre las alturas de la vegetación, un valor de varianza •LQGLFDHVWUXFWXUDVFRPSOHMDV 

Estrato matorral

MDAlturaVegetación sobre ortofoto PNOA Obtención de variables: Altura media y FCC.

Escala: 1:3.000

Estrato bosque

Estrato arbustivo

Estrato pastizal

Polígonos de Sistemas Naturales

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ÍNDICE 1. LA TECNOLOGÍA LIDAR. Conceptos básicos. 2. PROYECTO PILOTO LIDAR MONFRAGÜE. 3. DATOS LIDAR PNOA. 4. COMPARATIVA MONFRAGÜE: PILOTO LIDAR LIDAR PNOA. 5. CONCLUSIONES LINEAS FUTURAS DE TRABAJO

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LIDAR PNOA es un producto gratuito, proporcionados por el IGN Densidad 0,5 ptos/m2 precisión altimétrica es de 20 cm Disponible nubes de punto sin clasificar, con alturas elipsoidales. Ficheros *.LAS de 2 x 2 km UTM – ETRS89 (Cada zona en su huso geográfico correspondiente).

PNOA Parque Nacional de Monfragüe:18 ficheros de datos Lidar en huso 29 y 61 ficheros en huso 30

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CARACTERÍSTICAS VUELO LIDAR Comparación características vuelo PNOA y vuelo propio de Monfragüe

PNOA 2010 (Lote 8)

Monfragüe

0,5 ptos/m2

5 ptos/m2

40 ptos/m2

1,41 m

0,63 m

0,16 m

ALS 50 - II

Top Eye MK III

Top Eye MK III

FOV

50º

60º

45º

PRF (Khz)

89.9

100

240

Frec. Barrido (Hz)

33.2

45

70

Hv (AGL)

2200

700

350

Velocidad (nudos)

148

58

20

Velocidad (Km/h)

274

108

36

Rec. Transversal

15%

56%

0%

Densidad Separación entre puntos Sensor LiDAR

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ÍNDICE 1. LA TECNOLOGÍA LIDAR. Conceptos básicos. 2. PROYECTO PILOTO LIDAR MONFRAGÜE. 3. DATOS LIDAR PNOA. 4. COMPARATIVA MONFRAGÜE: PILOTO LIDAR LIDAR PNOA. 5. CONCLUSIONES LINEAS FUTURAS DE TRABAJO

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Comparación ficheros LAS (Monfragüe vs PNOA)

MONFRAGÜE: Amarillo Æ 5 puntos/m2 PNOA: Blanco Æ 0,5 puntos/m2

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Comparación ficheros LAS (Monfragüe vs PNOA)

MONFRAGÜE: Amarillo Æ 5 puntos/m2 PNOA: Blanco Æ 0,5 puntos/m2

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0,5 ptos/m2

5 ptos/m2

40 ptos/m2

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TRATAMIENTO DATOS LIDAR PNOA (ficheros LAS en H29 y H30. Hay que trabajar con ellos por separado, hasta generar los modelos digitales)

1. Clasificación automática de los puntos suelo en los ficheros .LAS 2. Clasificación automática de los puntos de vegetación y edificios en los ficheros .LAS 2b. Revisión manual de la clasificación 3. Normalización de las alturas de todos los puntos sobre el suelo en los ficheros .LAS. Paso de alturas elipsoidales a ortométricas 4. Estratificación de la vegetación según intervalos de altura (se siguen los mismos que se emplearon en los datos del vuelo propio de Monfragüe) en los ficheros .LAS - Clase 2: Suelo - Clase 5: Arbusto (2 – 4m) - Clase 3: Pastizal (0/0.15 – 0.5m)

- Clase 8: Bosque (>4m)

- Clase 4: Matorral (0.5 – 2m) 5. Generación de modelos de altura de vegetación (MDAV). Estudio tamaño pixel: 2m - MDAV_completo: generado a partir de los datos lidar de las clases 3, 4, 5 y 8. - MDAV_pastizal: (ptos. clase 3)

- MDAV_arbusto: (ptos. clase 5)

- MDAV_matorral: (ptos. clase 4)

- MDAV_bosque: (ptos. clase 8)

Los MDAVs se generan asignando a cada píxel el valor medio de la altura de los puntos Lidar clasificados como vegetación (o de cada clase de vegetación) que hay en cada celda del ráster definido (según el tamaño de celda dado). Para las zonas sin datos no se realiza interpolación, ya que la vegetación no se encuentra en toda la superficie del terreno, y de esta manera los datos proporcionados son más reales. 6. Unión de los modelos digitales generados en distintos husos geográficos 7. Cálculo de estadísticos Lidar por tesela de vegetación. Altura media, FCC y Variabilidad de la vegetación.

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Modelos de Altura de Vegetación PNOA (Tamaño pixel: 2m)

M D Altura de Vegetación Completo

MDAV Bosque: (Altura > 4m):

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Modelos de Altura de Vegetación PNOA (Tamaño pixel: 2m)

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MD AlturaVegetación completo sobre ORTO CÁLCULO DE ESTADISTICOS LIDAR LIDAR PNOA. 0.5 ptos/m2 Píxel 2 m

Altura Media, FCC, Estructura Vertical

(por estratos)

LIDAR Monfragüe. 5 ptos/m2 Píxel 0,5 m

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Comparación del análisis estadístico de parámetros de vegetación, según diferentes estratos de vegetación definidos en el proyecto.

L.PNOA - L.Propio L.PNOA - L.Propio L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

L.PNOA - L.Propio

En comparación con Lidar propio, el Lidar PNOA tiene: - Diferencias máximas de altura: 10-20 cm en todos los estratos, a excepción de bosque 50 cm - FCC sobreestimación entre un 5% y 30% en todos los estratos, a excepción de pastizal 50% - Estructura vertical: 94% similitud de resultados

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ÍNDICE 1. LA TECNOLOGÍA LIDAR. Conceptos básicos. 2. PROYECTO PILOTO LIDAR MONFRAGÜE. 3. DATOS LIDAR PNOA. 4. COMPARATIVA MONFRAGÜE: PILOTO LIDAR LIDAR PNOA. 5. CONCLUSIONES LINEAS FUTURAS DE TRABAJO

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VARIABLES DE SEGUIMIENTO OBTENIDAS CON LIDAR

Cotas del terreno (MDT) Altura del dosel vegetal (MDAltV) Altura media de la vegetación por estratos Desviación estándar de la altura de la vegetación por estratos Cobertura o fracción de cabida cubierta de la vegetación (FCC) Cobertura o fracción de cabida cubierta de la vegetación (FCC) por estratos Estratificación vertical de la vegetación Cotas de las estructuras artificiales (MDEd)

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CONCLUSIONES - El Lidar es una tecnología que aporta información de gran interés para la detección de cambios y el seguimiento del territorio (morfología del terreno y estructura de la vegetación) - El Lidar permite obtener un gran volumen de información (continua para toda la superficie volada) a bajo coste comparado con inventarios de campo tradicionales. - Recomendable hacer trabajo de campo (muestreo) para poder cuantificar la precisión y exactitud en el cálculo y medida de variables de vegetación a partir de Lidar. - Los resultados pueden verse influidos por la fecha del vuelo (estación y año). - Es fundamental seleccionar tamaño de píxel adecuado para generar los modelos digitales. Influye en los resultados obtenidos -Vuelo PNOA: - Posibilidad de superponer la información de vuelos Lidar propios con PNOA (precisión planimétrica y altimétrica correcta) - Periodicidad y resolución del PNOA permite estudios evolutivos y el seguimiento a nivel de Red de Parques Nacionales.

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LINEAS FUTURAS DE TRABAJO

- Incorporar los datos Lidar PNOA a la cartografía de los sistemas naturales de la Red de Parques Nacionales. - Incorporar el estudio de nuevas variables forestales (ej: número de pies, diámetro normal, diámetro de copa, área basimétrica e índice de área foliar) y ecológicas (biomasa y el contenido en carbono).

…

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Gracias por su atención

MEDIOS TÉCNICOS EMPLEADOS Sensor LiDAR: TopEye MK – III S/N 700 Sistema GNSS / IMU

Escáner espejo oscilante “diente de sierra” (LRF3) Escáner palmer (LRF2)

MEDIOS TÉCNICOS EMPLEADOS Aeronave:

Eurocopter Ecureuil AS350 B2

Matrícula aeronave:

CS-HED

Estaciones de Referencia en Tierra: 2 Receptores Leica SR530 24 Canales Bifrecuencia Precisiones: Estático: 3 mm + 0.5 ppm Estático – Rápido: 5 mm + 1ppm Distancia entre estaciones 28 km. La base línea nunca ha superado los 15 km

Elementos singulares visibles con perfiles a partir de ficheros .LAS

PERFILES

Arbustos

Árbol

MONFRAGÜE

Edificación

Generación de Modelos digitales de gran detalle a partir de datos LIDAR. Tamaño celda 0,5m

Detalle de un camino en el MDT y perfil sobre ficheros .LAS

Camino

Escala: 1:1.500

Estrato matorral

Estrato pastizal

Estrato arbóreo

Estrato arbustivo

Polígonos de Sistemas Naturales

Comparación ficheros LAS (Monfragüe vs PNOA)

MONFRAGÜE: Amarillo Æ 5 puntos/m2 PNOA: Blanco Æ 0.5 puntos/m2

Comparación ficheros LAS (Monfragüe vs PNOA)

MONFRAGÜE: Amarillo Æ 5 puntos/m2 PNOA: Blanco Æ 0.5 puntos/m2

LIDAR en el seguimiento de la Red de Parques Nacionales Unión de los modelos digitales generados en distintos husos geográficos. Se reproyectan al huso 30 los modelos digitales generados en H29, se recortarán las zonas de solape con los modelos del huso 30 y se unirán generándose un único modelo digital por estrato de altura de vegetación, con proyección ETRS89, huso 30

Comparación del análisis estadístico de parámetros de vegetación, según diferentes estratos de vegetación definidos en el proyecto. x MDVA_Completo: Diferencias entre Lidar PNOA y Lidar Propio, en valores de altura media, FCC y estructura vertical de la vegetación. VEGETACIÓN FCC

Nº Teselas

%

659

19

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 50

3432

99

52

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 40

3347

97

2697

78

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 30

2960

86

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 1 m

3291

95

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 20

2003

58

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 2 m

3433

99

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 10

1126

33

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 5

877

25

Diferencias L.PNOA - L.Propio = 0

38

1,1

VEGETACIÓN Alt.Media (valor absoluto)

Nº Teselas

%

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,10 m

528

15

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0 (Nº Teselas FCC de vuelo propio es mayor que la de PNOA)

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,20 m

1114

32

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,30 m

1811

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,50 m

Estructura Vertical: El 94% de las teselas identifican la misma estructura vertical con Lidar PNOA que la calculada con Lidar propio. En 212 teselas no coincide la estructura vertical calculada con Lidar PNOA, con la calculada con el Lidar propio.

xBosque

(>4m): Diferencias entre Lidar PNOA y Lidar Propio, en valores de altura media, FCC y estructura vertical del estrato de bosque BOSQUE FCC

BOSQUE Alt.Media (valor absoluto)

Nº Teselas

%

58

1,7

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 50

3456

100

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0 (Nº Teselas FCC de vuelo propio es mayor que la de PNOA)

Nº Teselas

%

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,10 m

631

18

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,20 m

1592

46

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,30 m

2485

72

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 40

3440

100

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,50 m

3074

89

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 30

3362

97

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 1 m

3318

96

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 20

3093

89

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 2 m

3387

98

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 10

2390

69

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 3 m

3402

98

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 5

1785

52

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 5 m

3430

99

Diferencias L.PNOA - L.Propio = 0

525

15

Estructura Vertical: El 88% de las teselas identifican la misma estructura vertical con Lidar PNOA que la calculada con Lidar propio. En 430 teselas no coincide la estructura vertical calculada con Lidar PNOA, con la calculada con el Lidar propio.

x Arbustivo (2 – 4m): Diferencias entre Lidar PNOA y Lidar Propio, en valores de altura media y FCC del estrato arbustivo. ARBUSTO FCC ARBUSTO Alt.Media (valor absoluto)

Nº Teselas

%

163

4,7

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 50

3456

100

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 40

3438

99

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 30

3293

95

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 20

2821

82

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 10

1981

57

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 5

1310

38

Diferencias L.PNOA - L.Propio = 0

245

7,1

Nº Teselas

%

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,10 m

2698

78

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0 (Nº Teselas FCC de vuelo propio es mayor que la de PNOA)

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,20 m

3271

95

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,30 m

3363

97

x Matorral (0.5 – 2m): Diferencias entre Lidar PNOA y Lidar Propio, en valores de altura media y FCC del estrato matorral. MATORRAL FCC MATORRAL Alt.Media (valor absoluto)

Nº Teselas

%

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,10 m

1724

50

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,20 m

3002

87

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,30 m

3386

98

Nº Teselas

%

579

17

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 50

3434

99

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 40

3338

97

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 30

3124

90

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 20

2644

76

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 10

1940

56

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 5

1378

40

Diferencias L.PNOA - L.Propio = 0

220

6,4

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0 (Nº Teselas FCC de vuelo propio es mayor que la de PNOA)

Pastizal (0/0.15 – 0.5m): Diferencias entre Lidar PNOA y Lidar Propio, en valores de altura media y FCC del estrato pastizal. PASTIZAL Alt.Media (valor absoluto) Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,10 m

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,20 m

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0,30 m

Nº Teselas

%

PASTIZAL FCC

2453

71

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 0 (Nº Teselas donde FCC de vuelo propio es mayor que la de PNOA)

3453

3455

100

100

Nº Teselas

%

583

16,9

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 50

3182

92

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 40

2773

80

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 30

2252

65

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 20

1642

48

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 10

1082

31

Diferencias L.PNOA - L.Propio < 5

856

25

Diferencias L.PNOA - L.Propio = 0

61

1,8